Die Aussichten von Zwanglaufkesseln: Eine kritische Betrachtung des derzeitigen Standes im Bau und Betrieb von Röhrendampferzeugern [1. Aufl.] 978-3-642-90140-9;978-3-642-91997-8

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Die Aussichten von Zwanglaufkesseln: Eine kritische Betrachtung des derzeitigen Standes im Bau und Betrieb von Röhrendampferzeugern [1. Aufl.]
 978-3-642-90140-9;978-3-642-91997-8

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-V
Einleitung (Friedrich Münzinger)....Pages 1-2
Einfluß des Höchstdruckes auf den Bau von Kesseln mit natürlichem Wasserumlauf (Friedrich Münzinger)....Pages 2-4
Bewährung von Steilrohr- und von Sektionalkesseln (Friedrich Münzinger)....Pages 4-8
Wesen und Vorteile des Zwanglaufes (Friedrich Münzinger)....Pages 8-9
Das Verhalten von Zwanglaufkesseln (Friedrich Münzinger)....Pages 10-17
Kosten der verschiedenen Kesselsysteme (Friedrich Münzinger)....Pages 17-19
Zwanglaufkessel für Reserve- und Spitzenkraftwerke (Friedrich Münzinger)....Pages 19-21
Rotierende Kessel (Friedrich Münzinger)....Pages 21-23
Der Schmidt-Hartmann-Kessel (Friedrich Münzinger)....Pages 23-24
Verdampfer- und Umformeranlagen (Friedrich Münzinger)....Pages 24-26
Zusammenfassung und Schluß (Friedrich Münzinger)....Pages 26-29
Erratum to: Kosten der verschiedenen Kesselsysteme (Friedrich Münzinger)....Pages 51-51
Back Matter ....Pages 30-50

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Die Aussich ten von Zwangl aufkess eln Eine kritische Betrachtung des derzeitigen Standes im Bau und Betrieb von Rohrendampferz eugern von

Friedrich Miinzinger, VDI

Mit 48 Abbildungen im Anhang und 3 Zahlentafeln

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1935

Alle Rechte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Copyright 1935 by Springer-Verlag Berlin Heidelberg Urspriinglich erschienen bei Julius Springer in Berlin 1935

ISBN 978-3-642-90140-9 ISBN 978-3-642-91997-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-91997-8

Vorwort. Vorliegende Abhandlung ist die Erweiterung eines auf der Hauptversammlung des Vereines deutscher Ingenieure im Juni 1935 gehaltenen Vortrages. Der Zwanglauf hat in den letzten Jahren bei uns steigendes Interesse gefunden, so daß jetzt in Deutschland als einzigem Land nicht nur zahlreiche Spielarten von normalen Steilrohrkesseln, sondern auch mindestens fünf Sonderkessel gebaut werden. Ein so gutes Zeugnis diese Vielgestaltigkeit der Unternehmungslust und Erfindungsgabe unserer Kesselindustrie ausstellt, so belastet sie die Projektierungs- und Konstruktionsbüros sehr stark und macht es den Käufern von Kesseln schwer, sich in den zahlreichen angebotenen Systemen zurecht zu finden. Vorliegende Abhandlung versucht daher, das Wesentliche der verschiedenen Kessel mit Zwanglauf und natürlichem Wasserumlauf herauszuarbeiten und auf eine größere Vereinfachung und Vereinheitlichung hinzuwirken. Die heutige Lage im Dampfkesselbau hat viel Ähnlichkeit mit der Zeit um 1910, als Steilrohrkessel und um 1920, als Kohlenstaubfeuerungen aufkamen. Ähnlich wie jenesmal, verrät die große Zahl von Bauformen, daß wir uns in einem Übergangszustand befinden und die Notwendigkeit vorliegt, schnell zu einer Klärung zu kommen. Aber man kann schon heute sagen, daß die Einführung des Zwanglaufes uns nicht nur um einige brauchbare Kesselbauarten bereichern, sondern sich auch auf Dampferzeuger mit natürlichem Wasserumlauf verbilligend und vereinfachend auswirken wird. Gründliche wissenschaftliche Durchforschung hat den deutschen Kesselbau im letzten Jahrzehnt sehr gefördert und viel dazu beigetragen, daß er den Vorsprung der Amerikaner verhältnismäßig schnell aufholen konnte. Man kann aber m. E. (vielleicht auch in anderen Zweigen des Kraftmaschinenbaues) geteilter Ansicht darüber sein, ob die rein wissenschaftliche Richtung bei uns zuungunsten der praktisch-konstruktiven allmählich nicht zu stark in den Vordergrund rückt, denn so wichtig die wissenschaftliche Erforschung ist, so führt ihre zu starke Betonung leicht zum Überschätzen theoretischer Spitzfindigkeiten und zum Verkennen der überragenden Bedeutung guten Konstruierens. In der Tat sind sehr viele Anstände auf ungenügende Konstruktion zurückzuführen, und manche mögliche Vereinfachung und Verbesserung unterbleibt aus Mangel an gewandten Konstrukteuren, der sich besonders in Zeiten gesteigerter

IV

Vorwort.

erfinderischer Tätigkeit störend geltend macht. Überbesetzte unproduktive Reklamationsbüros, ein Wust ärgerlicher Auseinandersetzungen und teuere Umänderungsarbeiten sind die Folge hiervon. Die technischen Lehranstalten sollten daher ihr besonderes Augenmerk auf die wenigen Schüler mit ausgesprochen konstruktivem Können richten, sie mit allen Kräften anregen und die Industrie später auf sie hinweisen. Andernfalls ist es oft unvermeidlich, daß sie bei ihrem Übertritt in die Praxis in ein Büro kommen, in das sie ihrer ganzen Veranlagung nach nicht passen oder in dem sie nicht mehr leisten können als weit weniger Begabte. Manches konstruktive Talent kommt infolgedessen nicht zur Entfaltung und fühlt sich zeitlebens nie recht wohl, weil es seinen eigentlichen Beruf verfehlt hat. Aber auch die Industrie könnte viel tun, wenn sie über das Vorwärtskommen konstruktiver Talente sorgsam wachen und ihnen mehr als jetzt die Möglichkeit geben würde, auch als "reine Ingenieure" eine ihren Leistungen angemessene Lebensstellung zu finden. Andernfalls werden gerade die fähigsten unter ihnen sich zum Schaden der Industrie und der ganzen Volkswirtschaft schon in verhältnismäßig jungem Alter einer mehr kaufmännischen oder verwaltungstechnischen Tätigkeit zuwenden, die sie rascher und höher empor zu tragen verspricht. Herrn Dipl.-Ing. Stroehle n bin ich für seine Unterstützung beim Abfassen der Arbeit zu Dank verpflichtet. Sämtliche Abbildungen wurden hinter den Text gesetzt, um die Druckkosten möglichst zu verbilligen. Berlin, den 10. Juli 1935.

Münzinger.

Inhaltsverzeichnis. 1. Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. Einfluß des Höcbstdruckes auf den Bau von Kesseln mit natürlicbem Wasserumlauf a) Steilrohrkessel . . . . . . . . . b) SektionalkesseI . . . . . . . . . 3. Bewährung von Steilrohr- und von Sektionalkessein a) Wasserumlauf . . . . . . . . . b) Spucken und Überschäumen 4. Wesen und Vorteile des Zwanglaufes 5. Das Verhalten von Zwanglaufkesseln a) Empfindlichkeit gegen unreines Speisewasser. b) Einfluß nicht ganz sachgemäßer Bemessung und Herstellung oder ungleicher Beheizung . . . . . . . . . . . . c) Kraftbedarf der Speise- und Umwälzpumpen d) Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Kosten der verschiedenen Kesselsysteme 7. Zwanglaufkessel für Reserve- und Spitzenkraftwerke 8. Rotierende Kessel ......... 9. Der Schmidt-Hartmann-Kessel . . . 10. Verdampfer- und Umformeranlagen 11. Zusammenfassung und Schluß. . . .

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1. Einleitung. Bau und Betrieb von Röhrendampfkesseln wurden im letzten Jahrzehnt durch das tiefere Eindringen in die Vorgänge in Feuerungen und beim natürlichen Wasserumlauf, die Einführung des Zwanglaufes, das Herausbringen hochwertiger Stähle und die großen Verbesserungen der chemischen Speisewasseraufbereitung stark beeinflußt. Vorliegende Arbeit untersucht unter besonderer Berücksichtigung von Höchstdruckkesseln, wie die Entwicklung voraussichtlich weiter verlaufen wird. Noch ist sie in vollem Fluß, gleicht aber den Vorgängen um das Jahr 1910, als die Steilrohrkessel aufkamen und die ersten entscheidenden Schritte zur Leistungssteigerung von Dampfkesseln gemacht wurden 1, so sehr, daß sich eine sorgsame Prüfung besonders in der Hinsicht empfiehlt, wie der Zwanglauf den Bau von Röhrendampfkesseln beeinflussen wird und welche Punkte hierbei zu beachten sind. Wenngleich sich die Arbeit im wesentlichen auf Kessel mit Rostfeuerungen und für ortsfeste Zwecke beschränkt, so werden schon der Spitzendeckung in Elektrizitätswerken wegen auch Kessel wie Velox-Dampferzeuger, die zur Zeit nur für Beheizung mit Öl oder Gas gebaut werden, oder Hochgeschwindigkeitskessel 2, behandelt, zumal bei ihnen der Zwanglauf besondere Vorteile bietet, bzw. unerläßlich ist. Mechanische Roste und Staubfeuerungen wurden, was Einfachheit, Wirkungsgrad, Leistung und die Verfeuerung wasser- und aschereicher Brennstoffe betrifft, außerordentlich verbessert. Kennzeichnend für die neuere Entwicklung ist die Mühlenfeuerung von Kraemer, die sich für Braunkohlenschwelkoks ebensogut eignet wie für sehr feuchte Rohbraunkohle und der Umstand, daß die einstens als minderwertig verschriene Rohbraunkohle heute als vorzüglicher Brennstoff gilt, sowie die außerordentliche Steigerung der Breitenleistung von Feuerungen in den letzten 10 bis 15 Jahren. Mit der Rauchgasgeschwindigkeit wird in Hochgeschwindigkeitskesseln auf 20-50mjs, in Velox-Kesseln sogar auf 200-300 mjs gegangen. Die Vorgänge beim natürlichen Wasserumlauf wurden durch zahlreiche Untersuchungen erforscht und der rechnerischen Erfassung erschlossen, die Ursachen von Korrosionen in Siede- und Überhitzerrohren geklärt und falsche Ansichten über den Wärmeübergang von Rohrwand an Gemische von Dampf und Wasser berichtigt. Die Fortschritte der 1 2

M ünzinger: Neuere Bestrebungen im Dampfkesselbau. Z. VDr 1912, S.1725. Münzinger: Dampfkraft, S.267. Berlin: Julius Springer.

Münzinger, Zwanglaufkessel.

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Einfluß des Höchstdruckes.

Hüttenindustrie in der Herstellung von Sonderstählen sind ebenso bedeutend wie die der Kesselfabriken in der Fertigung, wobei die im Einwalzen von Siederohren und in Schweißarbeiten jeder Art erzielten Vervollkommnungen besondere Erwähnung verdienen. Auch die chemische Aufbereitung des Speise- bzw. Zusatzwassers wurde außerordentlich verbessert und tritt in immer schärferen Wettbewerb mit Destillier- und Dampfumformeranlagen, bei denen übrigens im allgemeinen auch eine chemische Vorbehandlung des Speisewassers nötig ist. Bei hochbelasteten Hochdruckkesseln muß das Speisewasser frei von Härtebildnern, Kohlensäure und freiem Sauerstoff sein. Die weit verbreitete Kalk-Soda-Reinigung reicht für sie nicht aus, weil sie bei schwankender Härte des Rohwassers Resthärte im Wasser läßt und weil zum Erzielen einer nur einigermaßen geringen Resthärte, die sogar in vielen Fällen noch zu groß ist, mit hohem Alkaliüberschuß aufbereitet werden muß und weil Soda Kohlensäure abspaltet, die die Kesselbaustoffe bei höherem Druck angreift. Man ersetzte daher Soda durch Ätznatron und Trinatriumphosphat, das auch unter schwierigen Verhältnissen Kesselsteinbildung verhindert und sich als ein höchst wirkungsvolles Mittel erwiesen hat. Damit der Kessel nicht schäumt und spuckt, dürfen Natronzahl, Salzgehalt und Phosphatgehalt des Kesselinhalts bestimmte Werte nicht überschreiten, der Wärmeverluste wegen soll aber die Abschlämmwassermenge tunlichst klein sein. Karbonathärte wird daher weitgehend durch Vorbehandlung mit Kalk, die Restkarbonathärte und die Nichtkarbonathärte durch Soda bzw. Ätznatron und Trinatriumphosphat oder durch Permutit entfernt, damit das gereinigte Wasser tunlichst wenig Salz enthält. Der freie Sauerstoff wird durch thermische Entgasung ausgetrieben und kann durch schweflige Säure oder Natriumsulfit bis auf die letzten Spuren entfernt werden. Höchstdruckdampf, der in Amerika schon recht verbreitet ist, hat im letzten Jahre auch in Deutschland einen starken Auftrieb erfahren (Abb. 1 u. 2 und Zahlentafel1 u. 2). Am 1. Juli 1935 waren in Deutschland etwa 36 ortsfeste Kessel von mehr als 70 at Druck mit einer höchsten Dauerleistung von etwa 1700 tjh bestellt oder im Betrieb. Deutschland ist übrigens wohl das einzige Land, in dem große Kessel von über 100 at Druck mit chemisch aufbereitetem Speisewasser ohne Kondensatzusatz erfolgreich betrieben werden.

2. Einfluß des Höchstdruckes auf den Bau von Kesseln mit natürlichem Wasserumlauf. a) Steilrohrkessel. Auch im Kesselbau verdanken viele Konstruktionen ihre Existenz dem Zufall oder Voraussetzungen, die manchmal schon • Die Zahlen am Rande des Textes beziehen sich auf dieA b bildungen im Anhang.

3

Steilrohr kessel.

lange überholt sind. Die Macht der Gewohnheit ist nicht selten schuld daran, daß die wissenschaftliche Erkenntnis sich nur sehr verspätet durchzusetzen vermag. Z.B. wurde beim Aufkommen der Steilrohrkessel das Speisewasser in Ekonomisern wenig oder gar nicht vorgewärmt. Da außerdem die Feuerungen nicht mit dem heutigen hohen CO 2 -Gehalt arbeiteten und man nur mäßige Rauchgasgeschwindigkeiten anwandte, brauchte man große Kesselheizflächen und infolgedessen zu ihrem Unterbringen 4-5 Kesseltrommeln, deren Kosten mit zunehmendem Druck immer stärker ins Gewicht fielen. Allmählich setzte sich der Dreitrom~el-Steilrohr-Kessel durch, bei dem sich ein gesicherter Wasserumlauf verhältnismäßig einfach ermöglichen ließ und der in Amerika auch bei sehr hohen Drücken noch vorherrscht (Abb.3 u. 4). In Deutschland nahm man aber schon vor etwa 12 Jahren den Bau von Zweitrommelkesseln 1 auf, auch der erste große deutsche Höchstdruckkessel und fast alle seine Nachfolger sind Zweitrommelkessel (Abb. 5, 9,10,11). Einzelne Firmen nehmen sogar nur eine Obertrommel und ersetzen die Untertrommel durch enge Sammler (Abb. 6). Die Vorliebe der Amerikaner für die Dreitrommelbauart bei Höchstdruckkesseln ist um so verwunderlicher, als sie bei Doppelenderkesseln die Zweitrommelbauart wählen (Abb. 7). Wegen der immer höher werdenden Rost- und Feuerraumbelastungen kleidet man die Feuerkammer weitgehend mit in den Wasserkreislauf des Kessels eingeschalteter Kühlfläche, teilweise auch mit Überhitzerheizfläche aus (Abb. 3,4,7). Während aber in Amerika Kessel und Kühlflächen fast stets zwei voneinander unabhängige Bauteile bilden, verschmolzen sie in Deutschland immer mehr zu einer organischen Einheit, bei der oft schwer zu sagen ist, was Kühl- und was KesseTheizfläche ist (Abb. 6 u. 8). In der letzten Zeit werden öfters Zweitrommelkessel

3,4

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8

angeboten, bei denen dasselbe Rohrbündel die Vor- und Nachheizfläche

bildet (Abb. 9 u. 10). Die KesseTheizfläche wurde immer mehr durch Ekonomiserheizfläche ersetzt, Zeile u in Zahlentafel 2, in der man öfters mäßige Dampfentwicklung zuläßt (Abb. 11). Während Amerikaner und Engländer Ekonomiser aus geraden, in Sammelkästen eingewalzten Rohren bevorzugen, überwiegen in Deutschland wenigstens bei Verwendung von Kondensat als Speisewasser die erheblich billigeren Rohrschlangen (Abb. 5, 6, 9, 11). Da Speisewasservorwärmung durch Anzapfdampf in Kondensationskraftwerken einen beträchtlichen thermischen Gewinn, bei Gegendruckkraftwerken einen oft sehr erwünschten Zuwachs an Leistung bringt (Abb. 12), geht man mit ihr vielfach bis auf etwa 200° und muß daher die Verbrennungsluft durch die den Ekonomiser verlassenden Abgase hoch vorwär1 Von den bereits um das Jahr 1910 herum gebauten Zweitrommelkesseln soll in diesem Zusammenhange abgesehen werden, weil sie meist Fehlkonstruktionen waren.

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Bewährung von Steilrohr- und von SektionalkesseIn.

men. Sollen die Rauchgase noch einen Zwischenüberhitzer beheizen, so muß man bei Vollast in den Frischdampfüberhitzer mit 1100-1250° eintreten (Abb. 13) und erhält dann besonders billige Strahlungskessel, weil die zum Unterbringen reiner Berührungsheizfläche erforderlichen Trommeln und Fallrohre wegfallen. Mit so hohen Rauchgastemperaturen ausgesetzten Überhitzern liegen aber nur wenig Erfahrungen vor. b) SektionalkesseI. Auch bei SektionalkesseIn ist deutlich eine Entwicklungsrichtung zu erkennen, die sich aus den gestellten Aufgaben gewissermaßen zwangläufig ergab (Abb.14-17). Ein wichtiger Abschnitt hierin ist der durch die verlangte hohe Dampftemperatur bedingte Einbau des Überhitzers zwischen der unterteilten Kesselheizfläche (Zwischendeckkessel), der anfänglich öfters in Gemeinschaft mit dem Zwischenüberhitzer erfolgte (Abb. 14). Bei den später gebauten Kesseln besteht die ganze Kesselheizfläche nur noch aus etwa acht vor den überhitzer geschalteten Siederohrreihen (Abb. 15). Die Zwischenüberhitzung erfolgt jetzt in Amerika oft mittels Sattdampf in einem über dem Kessel angeordneten Oberflächenapparat (Abb. 15). Bemerkenswert ist der organische Gesamtaufbau und der Wegfall jeder Kesselnachheizfläche in Abb. 16. In Deutschland sind Sektionalkessei für Drücke von über 70 at m. W. noch nicht in Betrieb. Abb. 17 zeigt einen 1935 bestellten 125 at-Kessel für 32/40 t/h-Dampferzeugung (ZahlentafeI2, Spalte 26).

3. Bewährung von Steilrohr- und von SektionalkesseIn. a) Wasserumlauf. Schon der Umstand, daß bei Drücken von über 70at in Amerika Sektional- und in Deutschland Steilrohrkessel überwiegen (Zahlentafell u. 2 und Abb. 1 u. 2), zeigt, daß keines von beiden Systemen eine klare Überlegenheit hat. Beispielsweise kann bei Sektionalkessein dem überhitzer bequem die zum Erzielen einer mäßigen Eintrittstemperatur der Rauchgase nötige Berührungsheizfläche vorgeschaltet werden. Auch lassen sich Sektionalkessei mit genormten Teilen leicht den verschiedenartigsten Verhältnissen anpassen und ihre Ummantelung wird m,anchmal etwas einfacher als bei Steilrohrkesseln. Die Dichtungen der Teilkammerverschlüsse können kein ernsthafter Grund gegen Sektionalkessei für hohen Druck sein, da auch die Sammler der Kühlflächen von Steilrohrkesseln zahlreiche Verschlüsse haben. Dagegen ist bei Steilrohrkesseln ein gesicherter Wasserumlauf oft leichter erzielbar. Insbesondere neigen die auf den überhitzer folgenden Rohre von Zwischendeck-Sektionalkesseln zu Korrosionen oder zum Durchbrennen, weil ihr Inhalt manchmal stagniert. Sektionalkessei mit nur einem dem überhitzer vorgeschalteten Bündel aus wenigen Siederohren und großem Abstand zwischen Obertrommel und oberster Siederohrreihe sind sicherer (Abb. 16 u. 17). Es mag mit auf unsere eingehen-

5

Spucken und Überschäumen.

dere Erforschung des natürlichen Wasserumlaufs zurückzuführen sein, daß wir Dinge, die ihn gefährden könnten, z. B. beheizte Fallrohre von Sektionalkesseln, möglichst vermeiden. -Doch fangen jetzt auch die Amerikaner an, vorsichtiger zu werden und z. B. den Abstand zwischen Obertrommel und oberster Siederohrreihe und die Zahl der Überströmrohre zwischen dampfführenden Sektionen und Obertrommel zu vergrößern. Bei Steilrohrkesseln sollte man wenigstens bei hohem Druck nur an ihrem oberen Ende verhältnismäßig stark beheizte Steigrohre besonders dann nicht anordnen, wenn sie großen Überhub haben oder gelegentlich Wasser erhalten, das erheblich kälter als der Kesselinhalt ist. b) Spucken und Überschäumen. In Zahlentafel 3 sind die hauptsächlichsten Anforderungen an den Inhalt und das Speisewasser von hochbelasteten Wasserrohrkesseln zusammengestellt 1 Zahlentafel 3. Zur Zeit übliche Anforderungen an Speisewasser und Inhalt hochbelasteter Röhrenkessel mit natürlichem Wasserumla uf. a) Kesselinhalt: 100--400 Natronzahl (nach VGB). bei Gegenwart von überschüssigem Phosphat 2 Höchstzulässige Gesamtkonzentration an Salzen

0,8° Be3 bei SektionalkesseIn

0,5° Be 3 bei SteiIrohrkesseIn

Phosphatgehalt b) Speisewasser: Gehalt an freiem Sauerstoff mg{l O 2 :'S i;

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3 Feuerungssystem

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41 Kesseldruck . . . . . atü 84,51 96 I 84 I 98 198 185 185 1 85 185 198 ,5 5\ Temperatur d_ überhitzt_I C Dampfes _______ 3981450 1371 1 38813981 ~ 11 ~11385-;-40013851 3951 61 Kesselleistung max_ . dau-I ernd _ • ____ __ tjh 1160 16511131(~:~ 1-1-1 150 1150 I ~~~ I _I

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